TRC 輕質(zhì)復(fù)合墻板力學(xué)性能分析

周明杰，孟雅，田川，李思學(xué)

（1.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401；2.北京建筑大學(xué)，北京 100044）

1 概 述

隨著社會(huì)日益進(jìn)步，鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國(guó)被廣泛應(yīng)用。但是,目前制約我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑發(fā)展的主要問(wèn)題在于,缺乏與鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系相配套的圍護(hù)體系研究。作為圍護(hù)體系的重要組成部分,鋼結(jié)構(gòu)墻體材料的改革和構(gòu)造技術(shù)研究是至關(guān)重要的[1]。TRC(Textile Reinforced Concrete)輕質(zhì)復(fù)合墻板的組成材料主要有三種：纖維網(wǎng)、自密實(shí)混凝土和保溫材料，它結(jié)合了精細(xì)混凝土和纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土各自的優(yōu)點(diǎn)[2]。其結(jié)構(gòu)韌性大,適用于耗能構(gòu)件；因其不腐蝕的特性,混凝土保護(hù)層厚度可很薄,使建造薄壁輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)成為可能[3，4]。本文對(duì)TRC復(fù)合墻板的力學(xué)性能及工藝性能進(jìn)行試驗(yàn)及理論研究，以獲得一種力學(xué)和工藝性能更加優(yōu)良的新型板材。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 混凝土配合比確定

為使纖維網(wǎng)與混凝土協(xié)同工作，確?；炷脸浞譂B入纖維內(nèi)部，減少空穴等缺陷，減小施工難度，要求混凝土具有高流動(dòng)性、高承載力且不會(huì)離析的自密實(shí)能力。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整配合比，最終確定本試驗(yàn)所用混凝土配合比見(jiàn)表1。

2.2 玻璃纖維編織網(wǎng)力學(xué)性能的確定

試驗(yàn)中采用的是經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂浸泡的相互垂直的耐堿玻璃纖維網(wǎng)，其力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

2.3 試驗(yàn)方案

圖1 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

圖2 不同保護(hù)層厚度荷載-撓度曲線(xiàn)

圖3 不同配網(wǎng)數(shù)量荷-載撓度曲線(xiàn)

混凝土配合比 表1

玻璃纖維編織網(wǎng)的力學(xué)性能指標(biāo) 表2

四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方案 表3

本次試驗(yàn)主要研究纖維網(wǎng)配網(wǎng)率不同，保護(hù)層厚度不同對(duì)TRC薄板力學(xué)性能和破壞形式的影響，試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

板的加載方式及斷面形式見(jiàn)圖1。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同保護(hù)層厚度的影響

本次試驗(yàn)為了研究保護(hù)層厚度對(duì)試件性能的影響，設(shè)計(jì)了三種保護(hù)層厚度（5mm、7mm、10mm），圖2分別展示了不同保護(hù)層厚度TRC薄板的荷載-撓度曲線(xiàn)。

從圖2中可看出隨著保護(hù)層厚度的增加，試件的極限承載能力有所降低。

3.2 不同配網(wǎng)率的影響

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了配置單層網(wǎng)和兩層網(wǎng)的TRC薄板來(lái)觀察配網(wǎng)率不同對(duì)試件性能的影響，圖3分別展示了不同配網(wǎng)率TRC薄板的荷載-撓度曲線(xiàn)（其中曲線(xiàn)1、6為鋪一層纖維網(wǎng)的薄板，曲線(xiàn)4、5為鋪二層纖維網(wǎng)的薄板）。

從圖3中可以看出，提高配網(wǎng)率能有效地提高TRC的力學(xué)承載力。

4 TRC 輕質(zhì)墻板的有限元分析

4.1 有限元模型的選取

本文是對(duì)墻板試件進(jìn)行模擬，主要考察墻板的抗彎性能。墻板中精細(xì)混凝土裂縫的開(kāi)裂過(guò)程，屬于相互作用的微觀機(jī)理，故而，TRC精細(xì)混凝土和纖維網(wǎng)采用分離式模型，選取單元Solid65+Link8進(jìn)行ANSYS建模分析。

4.2 TRC 輕質(zhì)復(fù)合墻板的數(shù)值結(jié)果模擬分析

4.2.1 面板厚度影響分析

本文對(duì)面板厚度分別為15mm和20mm、跨度為2000mm、寬度為600mm的輕質(zhì)復(fù)合板材進(jìn)行抗彎性能分析。研究發(fā)現(xiàn)墻板首先在跨中和墻板兩端出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的不斷增加，裂縫布滿(mǎn)整個(gè)墻板，兩種不同厚度墻板破壞時(shí)裂縫分布狀態(tài)基本相同。復(fù)合墻板隨面板厚度的增加，使得抗彎承載能力提高，但是對(duì)于墻板整體的破壞形式基本上沒(méi)有影響。

4.2.2 芯材厚度影響分析

本文分別設(shè)計(jì)芯材厚度為50mm和60mm、跨度為2000mm、寬度為600mm的輕質(zhì)復(fù)合墻板數(shù)值模型進(jìn)行抗彎性能分析。分析結(jié)果表明，芯材厚度大的板材開(kāi)裂撓度越大，隨著荷載的逐級(jí)增大，芯材厚度大的墻板提高了板材的承載能力，減少了撓度，但變化量較小。說(shuō)明芯板厚度的增加能夠提高墻板的承載能力，如果使用結(jié)構(gòu)芯材，則能夠更為明顯地提高復(fù)合板的抗彎承載能力，但兩種不同芯材厚度墻板破壞時(shí)裂縫分布狀態(tài)基本相同。

5 結(jié) 論

①本文通過(guò)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究了不同保護(hù)層厚度、纖維網(wǎng)不同鋪設(shè)層數(shù)對(duì)TRC構(gòu)件的彎曲性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：保護(hù)層厚度增大，可提高外圍精細(xì)混凝土的劈裂抗力，提高纖維網(wǎng)與精細(xì)混凝土的粘結(jié)力，但極限承載力隨之降低。提高配網(wǎng)率能有效的提高TRC的力學(xué)承載力。

②本文主要針對(duì)TRC輕質(zhì)復(fù)合墻板的面材厚度、芯材厚度兩個(gè)方面建立了有限元模型，進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。根據(jù)模擬結(jié)果詳細(xì)分析了每一種控制因素對(duì)墻板的撓度、裂縫開(kāi)展?fàn)顩r和對(duì)復(fù)合板材抗彎承載能力的影響進(jìn)行了歸納總結(jié)。模擬分析表明：復(fù)合墻板面板厚度的增加、芯材厚度的增加均使得抗彎承載能力提高。

[1] 何書(shū)鋒.復(fù)合墻板在鋼結(jié)構(gòu)住宅中的構(gòu)造技術(shù)研究[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué),2007.

[2] 尹世平,徐世烺.纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土的拉伸力學(xué)模型［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào),2012(5).

[3] 李赫,徐世烺.纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土薄板力學(xué)性能的研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2007（4）.

[4] Curbach M.Proceedings of the 2nd Colloquium on Textile Reinforced Structures(CTRS2)[C].Dresden,Germany：Dresden University of Technology,Collaborative Research Centre528,2003.